深吃水半潛平臺運動響應分析及模型試驗分析

，，，

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001)

深吃水半潛平臺運動響應分析及模型試驗分析

徐祥，康莊，付森，賈五洋

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001)

針對某深吃水半潛平臺在實際海況下的運動響應問題，基于AQWA，對深吃水半潛平臺頻域和時域下的運動響應進行數(shù)值模擬，并開展半潛平臺的模型試驗，分析6自由度幅值響應算子(RAO)和不規(guī)則波下的運動響應。比較由2種方法獲得的RAO響應曲線和極限海況下的運動幅值，證明數(shù)值方法正確，該深吃水潛平臺的運動響應模擬結(jié)果滿足設(shè)計要求。

深吃水半潛平臺；模型試驗；RAO；不規(guī)則波；運動響應

深吃水半潛式平臺在傳統(tǒng)的半潛式平臺基礎(chǔ)上延長了立柱的長度、增加了吃水。吃水的增加使下浮體遠離波浪作用，在很大程度上減小了波浪激勵力對下浮體的作用，對平臺的垂蕩響應有不錯的抑制作用，與常規(guī)半潛式鉆井平臺相比，平臺的垂蕩運動將會顯著減小[1-3]。另外，由于吃水較深，深吃水半潛式平臺往往沒有自我航行能力，平臺的浮體常采用四方環(huán)形設(shè)計，這樣可以更好地保證平臺的穩(wěn)定性。

羅勇等人提出了一種把甲板和平臺立柱分離開的新型深吃水干樹式半潛平臺，使得平臺的運動響應滿足干式采油樹的要求；此外，還優(yōu)化了平臺主尺度，在改善穩(wěn)性的同時，使平臺的垂蕩固有周期遠離了波浪能量集中范圍[4]。為驗證其結(jié)果的正確性，本文對該平臺進行數(shù)值分析和模型試驗分析。

1 模型試驗

對深吃水半潛式平臺進行水池模型試驗，研究該平臺6自由度運動響應和極限海況的水動力性能，為數(shù)值計算提供參考。該試驗在哈爾濱工程大學深水池中進行，試驗內(nèi)容包括靜水自由衰減試驗，幅值響應算子(RAO)試驗和平臺耐波性試驗等。

1.1 模型數(shù)據(jù)

模型試驗時，考慮平臺的設(shè)計尺度、水池尺度、造波能力，以及整個系統(tǒng)的耦合實驗要求等因素的影響，合理地選取了1∶70的縮尺比[5]。根據(jù)深吃水半潛平臺的縮尺比，可以得到深吃水半潛平臺模型主尺度。該平臺的主要參數(shù)以及試驗模型主尺度參數(shù)屬性見表1。

表1 干式半潛平臺模型參數(shù)

模型浮筒和立柱由倒模技術(shù)制成，采用玻璃鋼材質(zhì)；桁架結(jié)構(gòu)采用不銹鋼管制成，試驗模型見圖1。

圖1 深吃水半潛平臺模型

在干式半潛平臺模型試驗中，除靜水自由衰減試驗部分外，RAO試驗、不規(guī)則波運動響應試驗均涉及到系泊系統(tǒng)。為達到限制平臺在波浪下的二階低頻運動不能對一階高頻運動產(chǎn)生影響的目的, 采用水平系泊的方式，用4根相互垂直的系泊線將模型固定在水池中。4根系泊線均采用細鋼繩和彈簧相結(jié)合的方法設(shè)計，通過改變錨固點的位置和鋼繩的長度來改變平臺的迎浪角度。

1.2 環(huán)境條件及坐標定義

該平臺設(shè)計為中國南海海域作業(yè)的深吃水半潛式平臺，其工作水深為1 500 m。南海的海浪譜的譜峰值大小和譜的形狀都與JONSWAP譜較接近，故選擇JONSWAP譜作為波浪譜。工況為百年一遇的極限海況，波浪參數(shù)見表2。

表2 海洋環(huán)境條件

試驗采用的總體坐標系見圖2，原點位于浮體的重心處，x軸指向船頭方向為正，z軸向上為正，y軸以右手法則定義，以沿半潛式平臺縱向船頭方向為0°。半潛式平臺的運動坐標系為Oxyz，x軸指向船頭方向為正，z軸向上為正，y軸由右手法則定義，坐標系原點位于平臺重心處；平臺任意時刻的運動都可分解為縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖6個自由度的運動。

圖2 試驗坐標系

1.3 自由衰減試驗

深吃水干樹式半潛式平臺的6個自由度中，垂直面內(nèi)的3個自由度(橫搖、縱搖和垂蕩)存在靜水回復力或力矩，在外力的作用下偏離平衡位置，但當外力停止作用后，依靠靜恢復力或力矩的作用可以恢復到原來的平衡位置。對模型在靜水中分別進行橫搖、縱搖自由衰減試驗，目的在于獲得這些運動的固有周期和阻尼系數(shù)等重要參數(shù)，驗證模型制作以及重心和轉(zhuǎn)動慣量模擬的準確性[6]。分別進行多次橫搖和縱搖衰減試驗，取所得結(jié)果的平均值作為數(shù)值計算輸入的阻尼系數(shù)。

從深吃水干樹式半潛式平臺模型靜水自由衰減試驗統(tǒng)計結(jié)果可知，平臺的橫搖和縱搖固有周期均為45.6 s，橫搖的無因次阻尼系數(shù)為0.076，縱搖的無因次阻尼系數(shù)則為0.075。試驗所得的無因次阻尼系數(shù)將輸入數(shù)值計算模型中，用于頻域和時域分析。

1.4 RAO試驗

試驗研究過程中，可以用在白噪聲波譜不規(guī)則波浪中的一次試驗代替在一系列規(guī)則波中的模型試驗，同時試驗精度也有較大改善。浮體在不規(guī)則波試驗中測得的運動參數(shù)表現(xiàn)為運動譜的形式，將運動譜與入射波譜進行對比，可以得到對應頻率的運動幅值響應函數(shù)RAO[7]。

在白噪聲不規(guī)則波條件下，對深吃水半潛平臺模型進行RAO試驗，由于半潛平臺模型前后、左右對稱，因此浪向角選取180°和135°。試驗RAO與數(shù)值計算RAO的對比分析結(jié)果，可以驗證試驗的正確性與否，并確定阻尼系數(shù)的選取是否正確。

1.5 不規(guī)則波耐波性試驗

對深吃水半潛平臺進行不規(guī)則波試驗，模擬環(huán)境條件為百年一遇工況，僅考慮波浪的影響。試驗中實測波浪作用時間為25 min。

百年一遇環(huán)境工況，浪向角為180°時模型試驗結(jié)果見表3。經(jīng)過換算可得實船統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表3 模型試驗180°統(tǒng)計結(jié)果

百年一遇環(huán)境工況，180°浪向角時平臺的縱搖最大值為4.22°，垂蕩運動幅值為6.85 m。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，百年一遇環(huán)境工況，180°浪向角時波浪淹沒了半潛式平臺的立柱，但并未對甲板造成沖擊，見圖3。

表4 實船180°統(tǒng)計結(jié)果

圖3 百年一遇工況180°浪向試驗現(xiàn)場

百年一遇環(huán)境工況，浪向角為135°時模型試驗結(jié)果見表5。經(jīng)過換算可得實船統(tǒng)計結(jié)果見表6。

表5 模型試驗135°統(tǒng)計結(jié)果

表6 實船135°統(tǒng)計結(jié)果

百年一遇環(huán)境工況，135°浪向角時平臺的縱搖和橫搖運動相似，最大值分別為3.76°和3.05°，垂蕩運動幅值為6.3m。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，百年一遇環(huán)境工況，135°浪向角時波浪淹沒了半潛式平臺的立柱，但并未對甲板造成沖擊，見圖4。

圖4 百年一遇工況135°浪向試驗現(xiàn)場

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

AQWA為研究復雜運動和響應分析所需的初始水動力參數(shù)提供了一個集成環(huán)境，可用于復雜結(jié)構(gòu)的三維線性繞射和輻射分析。利用AQWA軟件建立干樹式半潛平臺在1 500 m工作水深的水動力濕表面模型，見圖5。建模時，立柱和浮筒用Panel單元模擬，因為其尺寸偏大，輻射作用顯著，其水動力基于三維勢流理論計算，而平臺的桁架構(gòu)件，屬于小尺度構(gòu)件，則應用TUBE單元(莫里森單元)進行模擬，基于Morison公式計算其受到的波浪力[8]。

圖5 水動力濕表面模型

2.2 頻域分析

由于平臺主體設(shè)計采用全對稱的方式，所以頻域計算時，波浪入射角分別采用0°、15°、30°、45°、60°、75°、90° 7個方向。通過自由漂浮狀態(tài)的頻域計算可以得到不同頻率單位波幅規(guī)則波下的6個自由度的運動幅值響應算子RAO，不同浪向角下的結(jié)果見圖6。由于對稱性，縱蕩和縱搖可以分別參考橫蕩和橫搖。

圖6 不同浪向角下的RAO

通過計算得出平臺橫縱搖和垂蕩運動的固有周期分別為45 s和21.8 s，其結(jié)果與模型試驗測得近似。對深吃水半潛平臺180°和135°浪向角時的RAO結(jié)果與模型試驗的結(jié)果進行對比，比較結(jié)果見圖7、8。

圖7 180°浪向角下的比較結(jié)果

在白噪聲波條件下，測得的180°和135°浪向角時平臺6自由度RAO，與應用水動力軟件AQWA計算得到的RAO吻合良好，驗證了數(shù)值模型的正確性，同時獲得了在不同頻率單位波幅規(guī)則波作用下的水動力參數(shù)，包括一階波浪力傳遞函數(shù)RAO、二階波浪力傳遞函數(shù)QTF、附加質(zhì)量以及輻射阻尼等，頻域分析的結(jié)果為后面干樹半潛平臺的時域運動響應分析提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 時域分析

根據(jù)錨泊參數(shù)在AQWA中建立平臺的錨泊系統(tǒng)，模擬3×4的12點系泊形式，錨泊線為三段復合型式[4]。不考慮風載荷和流載荷的影響，只采用錨鏈線完整的工況來模擬。對半潛平臺及其系泊系統(tǒng)進行極限海況下不規(guī)則波運動響應分析，預測平臺的運動幅值，并校核其運動響應是否滿足要求。

圖8 135°浪向角下的比較結(jié)果

平臺運動應當滿足如下設(shè)計要求。

1)要滿足立管的設(shè)計極限要求，系泊完整狀態(tài)下，平臺極限位移不超過5%的水深。

2)為滿足干樹采油要求，平臺垂蕩幅值要小于8 m。

180°浪向角下的6個自由度的運動統(tǒng)計結(jié)果見表7。由表7 可知，在百年一遇環(huán)境工況浪向角為180°時，平臺的水平偏移值為60.34 m，小于水深的5%；其垂蕩運動幅值為5.04 m，小于8 m；縱搖運動幅值為5.59°，小于20°；平臺的橫蕩、橫搖和艏搖運動幅值都很小，可見該平臺6自由度運動滿足設(shè)計要求。

表7 180°浪向角下的結(jié)果

135°浪向角下的6個自由度的運動統(tǒng)計結(jié)果見表8。在百年一遇環(huán)境工況下，當浪向角為135°時，平臺水平偏移極值為41.01 m，其垂蕩運動極值為5.10 m，橫搖運動與縱搖運動相似且幅值為3.61°。由此可知該平臺6自由度運動滿足規(guī)范要求。此外，由百年一遇環(huán)境工況的統(tǒng)計值結(jié)果可看出，當浪向角改變時，平臺的最大垂蕩幅值基本保持一致，所以該平臺的垂蕩運動與浪向相關(guān)度較小。

表8 135°浪向角下的結(jié)果

3 結(jié)論

1)通過對半潛式干樹深水平臺在靜水中分別進行橫搖、縱搖自由衰減模型試驗，獲得了這些運動在無系泊狀態(tài)下的固有周期與阻尼系數(shù)等重要參數(shù)。在白噪聲不規(guī)則波條件下，進行半潛式干樹深水平臺模型RAO試驗，測得180°和135°浪向角時平臺6自由度RAO，與應用水動力軟件AQWA計算得到的RAO吻合良好，驗證了數(shù)值模型的正確性，并得出平臺橫搖、縱搖和垂蕩運動的固有周期分別為45,45,21.8 s。

2)通過平臺模型的水平系泊不規(guī)則波運動試驗研究發(fā)現(xiàn)，在百年一遇海況下，平臺180°浪向的縱搖最大值為5.59°，垂蕩偏移幅值為5.04 m；135°浪向下，橫搖和縱搖運動相似，角度最大為3.61°，垂蕩幅值為5.10 m。

3)經(jīng)過數(shù)值計算和模型試驗驗證，該深吃水干樹半潛平臺設(shè)計合理，滿足規(guī)范要求。

[1] 龍筱曄,李巍,尤云祥.風浪流中Truss Spar平臺耦合動力響應分析[J].中國海洋平臺,2013(1):29-35.

[2] Wellens Peter R., Luppes Roel, Veldman Arthur EP, et al, CFD simulations of a semi-submersible with absorbing boundary conditions[M]. American Society of Mechanical Engineers,2009.

[3] 姜哲,謝彬,謝文會.新型深水半潛式生產(chǎn)平臺發(fā)展綜述[J].海洋工程,2011(3):132-138.

[4] 羅勇,高巍,申輝,等.新型深水干樹半潛平臺選型及總體性能分析研究[C].2013年中國海洋工程技術(shù)年會論文集,2013.

[5] 賴智萌,肖龍飛,寇雨豐,等.新概念深水半潛式生產(chǎn)平臺水動力截斷試驗與數(shù)值計算[J].上海交通大學學報,2013(2):329-334.

[6] 田超.近島礁浮式平臺水動力模型試驗研究[C].第十三屆全國水動力學學術(shù)會議論文集,2014.

[7] 戴遺山.艦船在波浪中運動的頻域與時域勢流理論[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998.

[8] 羅強.981半潛式鉆井平臺錨泊系統(tǒng)研究[D].長江大學,2012.

Dynamic Response Analysis and Model Test of Deep Draft Semi-submersible Platform

XUXiang,KANGZhuang,FUSen,JIAWu-yang

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In order to analyze the motion response of semi-submersible platform with a deep draft in actual conditions, the motion response analysis were made in frequency domain and time domain by AQWA. The model test of semi-submersible platform was carried out to study the RAO of 6 degrees of freedom and dynamic response in irregular waves. The results obtained by the two methods about RAO curves and motion amplitude in ultimate conditions were comparatively analyzed, proving the correctness of numerical methods. The numerical results showed that motion response of the deep draft semi-submersible platform meets the requirements of design.

deep draft semi-submersible platform; model test; RAO; irregular wave; motion response

U674.941

A

1671-7953(2017)06-0131-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.030

2017-03-05

2017-04-17

徐祥(1991—)，男，碩士生

研究方向：船舶與海洋工程設(shè)計與制造